Klima- und Erdsystemforschung heutige und zukünftige Herausforderungen

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1 Klima- und Erdsystemforschung heutige und zukünftige Herausforderungen Jochem Marotzke Wolfgang Müller, Florian Rauser, Reinhard Budich, Björn Stevens und die Kollegen am MPI-M MPI für Meteorologie

2 Übersicht Die Gegenwart Große wissenschaftliche Projekte koordiniert durch MPI-M und ihr HPC- Bedarf CMIP5: Langfristiger Klimawandel (2100) STORM: Ozean MiKlip: Mittelfristige Klimaprognose (2020) HD(CP) 2 : Wolken und Niederschlag Die Zukunft Wo liegen die Herausforderungen und was tun wir heute, um uns vorzubereiten? 2

3 Ein weltweit koordiniertes Projekt für Klimasimulationen: CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 5) Wie zuverlässig sind Simulationen künftigen Klimas? In welchen Resultaten stimmen verschiedene Modelle überein? Modellstreuung ein Mindestmaß für Unsicherheit der Ergebnisse Multi-Modell-Experimente Koordiniert von WCRP (World Climate Research Programme) Zeitplan stark beeinflusst vom IPCC-Prozess CMIP5-Ergebnisse fließen in den 5. Sachstandsbericht des IPCC ein Klimaprojektionen bis 2100 Welche CO 2 -Emissionen sind kompatibel mit bestimmten Klimazielen? Taylor et al

4 MPI-ESM: Das 2 C-Ziel kann erreicht werden, wenn wir dem Szenario RCP2.6 folgen Änderung in globaler Mitteltemperatur relativ zu Beobachtungen Historisch Szenario RCP8.5 Szenario RCP4.5 Szenario RCP2.6 2 C-Ziel Giorgetta et al. (2013) 4

5 aber anthropogene CO 2 -Emissionen müssen ab 2020 abnehmen, bis 2100 auf 10% der Emissionen des Jahres 2000 Gepunktet: Beobachtungen Schattiert: Klimamodell Durchgezogen: Integrierte Modelle (Ökonomie & Klima) Erhebliche Modellunsicherheit: in mehreren Modellen wird das 2 C-Ziel auch im Szenario RCP2.6 verfehlt; oft muss der Atmosphäre netto CO 2 entzogen werden Giorgetta et al. (2013) 5

6 Die STORM-Simulationen Klimawandelsimulationen in höchstmöglicher Auflösung in Atmosphäre (40 km) und Ozean (10 km) Hier nur Ozean, Simulationen über das 20. Jahrhundert Konsortium der meisten deutschen Einrichtungenim Bereich Ozean-Klima (MPI-M, Exzellenzcluster CliSAP, HZG, AWI; Leitung: Jin-Song von Storch, MPI-M; Detlef Stammer, Universität Hamburg) Das Konsortium finanzierte Personal am DKRZ (Irina Fast) für Optimierung 6

7 MPIOM TP6ML80: near surface speed [m/s] 7

8 STORM: zwei herausragende Ergebnisse Erstmalige quantitative Darstellung des mechanischen Energiezyklus im globalen Ozean (also: wie wird mechanische Arbeit am Ozean geleistet und wie wird sie im Ozean verteilt) Atmosphäre: Wärmekraftmaschine (Wärme Bewegung, bekannt) Ozean: Windmühle (Arbeit Reibung) und Kühlschrank (Arbeit Temperaturunterschiede) Entdeckung eines neuen Prozesses, der zur Vermischung im Ozean beiträgt, und der nicht von Vorgängen an den Rändern abhängt Spontane Imbalance, Erzeugung von Schwerewellen durch Wirbel Von Storch et al., 2012,

9 MiKlip (Mittelfristige Klimaprognosen) BMBF-gefördertes Projekt, Vorhersage von menschengemachtem Klimawandel zusammen mit natürlichen Klimaschwankungen 35 Projekte plus MiKlip-Datenserver, Budget etwa 20 Mio. Euro Ziel: Erstellung eines prä-operationellen Vorhersagesystems zusammen mit Forschung zur Verbesserung des Systems Koordination und MiKlip-Office am MPI-M Charakteristika: Große Ensembles von Simulationen (Ziel: Realisierungen pro Experiment), zur Erstellung von probabilistischen Vorhersagen Verfügungstellen der Ergebnisse für Gesamtprojekt, zur systematischen Evaluation und zur Erstellung regionalisierter Vorhersagen 9

10 Der MiKlip-Datenserver am DKRZ Finanziert durch BMBF/MiKlip, betrieben vom DKRZ (ca. 1 Mio Euro) 1 PB Plattenkapazität plus 6 PB Bänder Zugang für alle MiKlip-Projektparter Verfügbar: Alle globalen MiKlip-Vorhersagen Viele regionale Vorhersagen Beobachtungen Analysesoftware 10

11 Erstmaliger Nachweis von Vorhersagegüte für mehrjähriges Sommermittel der Oberflächentemperatur über Zentraleuropa Verringerung des mittleren quadratischen Fehlers für das Sommermittel, gemittelt über Vorhersagejahre 2-5 Müller et al. 2012, GRL 11

12 High Definition Clouds and Precipitation for advancing Climate Prediction HD(CP) 2 ist ein BMBF-Projekt mit dem Ziel, Wolken und Niederschlag im Klimasystem besser zu verstehen. HD(CP) 2 will Klimavorhersagen verbessern, Unsicherheit in Klimavorhersagen quantifizieren Zu diesem Zweck wird Ein neues regionales Modell entwickelt (ICON+), Beobachtungen in Deutschland gesammelt und homogenisiert, Neue Methoden zur Evaluierung und Unsicherheitsquantifizierung geschaffen, Neue Parametrisierungen entwickelt. Stevens, et al., 2011, HD(CP)2 proposal Mögliches HD(CP) 2 Modellgebiet und Beobachtungsstationen 12

13 Die räumliche Auflösung soll so hoch sein, dass Wolken explizit dargestellt werden Das volle HD(CP)2 Modell wird auch die (über)nächste Generation von Klima-HPC voll auslasten (können). Auf kleineren Prototyp- Domainen wird vorher getestet, ob der Auflösungs-gewinn auch höhere Qualität bedeutet. 13

14 Sehr hoher Aufwand an Modellentwicklung und -optimierung Stevens, et al., 2011, HD(CP)2 proposal Das DKRZ (Joachim Biercamp) leitet das Kernmodul M1 (10 Stellen, 4 am DKRZ). Dieses beinhaltet die Modellentwicklung, Optimierung und den Modell-workflow. 14

15 Große Projekte koordiniert durch MPI-M, HPC-Anforderungen (DKRZ-System: 64 Mio. CPU-Stunden pro Jahr, MPI-M-Anteil: 12 Mio. Stunden) Projekt CPU-Stunden Daten CMIP5 Klimawandel Verbraucht (bis 2012) Geplant (2013) Belegt (wrk + Arch) Geplant (Quota 2013) 29 Mio. 1 Mio. 2,2 PB 240 TB STORM Ozean 20 Mio. 12 Mio. 2 PB 1,2 PB MiKlip Mittelfristprognose HD(CP) 2 Wolken & Niederschlag 3 Mio. 5 Mio. 400 TB 1 PB 2,5 Mio. 550 TB 15

16 Fortschritte in der Klimamodellierung benötigen ständige Weiterentwicklung der Modelle Wissenschaftlich und technisch: Mehr Details der Darstellung von mehr Prozessen Z.B. globaler Kohlenstoffkreislauf (CMIP5) Ensembles (Monte-Carlo-Methoden) Abschätzung der Simulationsqualität und der Vorhersagegüte (MiKlip) Höhere räumliche Auflösung Z.B. zur Darstellung der hochenergetischen Prozesse im Ozean (STORM) und der Wolken in der Atmosphäre (HD(CP) 2 ) Lineare Verdoppelung der Auflösung (Halbierung des Gitterabstands) erfordert eine Größenordnung mehr an Rechenzeit! 16

17 Treiber erhöhter HPC-Anforderungen (Brian Hoskins & Walter Zwieflhofer) 17

18 Das Kardinalproblem in der Klimamodellierung: Wie nutzen wir die stets letzte Rechnergeneration möglichst effizient? Wir werden noch auf Jahrzehnte hinaus die jeweils leistungsfähigsten Rechner der Welt ausnutzen müssen Jede neue Rechnergeneration bringt uns einen Faktor von in der Leistungsfähigkeit, wir brauchen aber einen Faktor von ! Aber: die Rechner veralten in 5-7 Jahre, unsere Software (die Klimamodelle) hat eine Lebensdauer von typischerweise 25 Jahren Ein umfassendes Klimamodell benötigt ca. 500 Personenjahre zum Erstellen und Weiterentwickeln; die Entwicklungsgruppen umfassen vielleicht 20 Personen: 500 Personenjahre : 20 Personen = 25 Jahre Wir werden immer unsere Modelle an mehrere neue Rechnergenerationen anpassen müssen 18

19 Die Zukunft: Wo liegen die Herausforderungen, und was tun wir heute, um uns vorzubereiten? Essentielle Rolle des DKRZ Einzigartig in Europa als nationale Serviceeinrichtung durch die Kombination von Rechnerleistung (HPC) Daten-Services (die meisten Analysen erfolgen im Nachgang zu den Simulationen und erfordern Abspeichern der Simulationsergebnisse) Fachspezifische Nutzerberatung Nur durch seine Einbettung in das Hamburger Exzellenzzentrum der Klimaforschung kann das DKRZ die Nutzerberatung weiterentwickeln und dadurch seinen nationalen Service auf dem internationalen Stand der Forschung halten 19

20 Warum es schwer ist, den neuesten Rechner effizient auszunutzen: Skalierung, Stromverbrauch, heterogene Architekturen Leistungssteigerung in modernen Höchstleistungsrechnern erfolgt nicht mehr durch schnellere Prozessoren, sondern durch Bündelung von immer mehr Prozessoren Diese immer größere Anzahl von Prozessoren auszunutzen erfordert immer neue Anpassungsarbeit Nicht jedes Problem skaliert (läuft schneller auf mehr Prozessoren) Notwendig: detaillierte Kenntnis des Modells und des Rechners Zusammenarbeit Klimamodellierer & Rechenzentren Die Aufgabe wird schwerer, nicht leichter: Stromverbrauch wird immer mehr zum limitierenden Faktor Rechnerleistung & Stromverbrauch: Industrie setzt zunehmend auf spezielle Zusatzprozessoren (z.b. Graphik-Chips, GPUs) 20

21 Heterogene Architekturen Prozessoren haben (wieder) Beschleuniger Deutlich schwieriger zu programmieren Unsere Programme enthalten viele unterschiedliche Elemente, von denen nur einige wenige sich für solche Prozessoren eignen In Zukunft: Bandbreiten pro Rechenoperation gehen zurück Speicherzugriffe und Kommunikation zwischen Prozessoren werden (noch) schwieriger Trend der TOP500 für die Community ungünstig! Wohin genau die Entwicklung geht, ist kaum vorhersagbar. Notwendig also: wissenschaftlich-organisatorische Vorbereitung 21

22 Vorbereitung am MPI-M und in Hamburg Investition in Personen (wissenschaftliche Programmierer) seit 2003 Weitsicht des früheren MPI-M-Direktors Guy Brasseur und des früheren MPG- Vizepräsidenten Kurt Mehlhorn: von 3 wissenschaftlichen Programmierern am MPI-M im Jahr wissenschaftliche Programmierer heute (plus mehrere projektgeförderte) Kein anderes Klimaforschungsinstitut in Deutschland hat einen solchen Stab Ausnutzen der Nähe von MPI-M und DKRZ Gemeinsame technologische Innovation, z.b. durch HD(CP) 2 Setzt sich dann in Standardanwendungen fort 22

23 Internationale Kooperation Beteiligung an verschiedenen Initiativen und Projekten, vor allem mit dem neuen Modell ICON: G8-Call: Icomex (Code-Beschleunigung, Leonidas Linardakis, MPI-M) Vorbereitung Exascale, European Exascale Initiative: PRACE Second Implementation Phase, erste Code-Teile von ICON auf GPUs European Network for Earth System Modelling: ENES, 2001 gegründet von Guy Brasseur Foresight-Dokument (5 Hauptautoren, u.a. Reinhard Budich und Jochem Marotzke) Beibehalten der wissenschaftlichen Modellvielfalt, gemeinsame Nutzung von Softwareinfrastruktur und Darstellung unstrittiger Prozesse (z.b. Strahlungstransport) 23

24 Zusammenfassung Durch die Zusammenarbeit mit dem DKRZ haben wir wegweisende wissenschaftliche Erfolge erzielen können Die effiziente Ausnutzung künftiger Hochleistungsrechner wird immer mehr technisch-personellen Aufwand erfordern Wir sind vorbereitet! Die enge Einbindung des DKRZ in das Hamburger Exzellenzzentrum für die Klimamodellierung wird auch in Zukunft unverzichtbar bleiben Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit! 24